Оперативная модель распространения нефтяных

УДК 551.46.09:628(268)
ОПЕРАТИВНАЯ МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В АРКТИЧЕСКИХ МОРЯХ
Владимир Владимирович Становой (т. 352-31-29, mod@aari.nw.ru)
к.г.н. Игорь Михайлович Ашик (т. 352-31-29, ashik@aari.nw.ru)
к.ф.-м.н. Кирилл Валерьевич Фильчук (т. 352-36-04, kirill@aari.nw.ru)
Арктический и антарктический НИИ, 199397,С.-Петербург, ул. Беринга, 18
В работе содержится описание структуры, особенностей и возможностей
оперативной модели распространения нефтяных загрязнений в арктических
морях. Примеры расчетов будут представлены в докладе.
The structure, features and abilities of operative model of the oil pollution spreading
and transformation in the Arctic seas are described. Examples of simulations will be
submitted in the presentation.
В настоящее время особое внимание уделяется проблеме загрязнения океана в результате
разливов сырой нефти, различных нефтепродуктов и дизельного топлива, а также в результате
аварийных выбросов природного газа. Разливы происходят вследствие аварий танкеров и судов,
аварий на нефтедобывающих и нефтеналивных комплексах, аварий на нефте- и газопроводах.
Кроме того, появление пятен нефтепродуктов на поверхности моря является следствием
несанкционированных сбросов топлива с судов, промывкой танков и таянием загрязненного
ледяного покрова. Наиболее опасным является возможность загрязнения берегов и промысловых
районов. Богатые запасами нефтеуглеводородов арктические моря имеют ряд особенностей,
наиболее важные из которых - низкие температуры воды и наличие ледяного покрова большую
часть года.
В общей системе оперативного гидрометеорологического обслуживания оперативная модель
распространения нефтяных загрязнений является отдельным блоком, который подключается к
общей системе в случае необходимости и базируется на совместном использовании модели
переноса и трансформации нефти в арктических морях и работающей в оперативном режиме
гидродинамической модели (рис.1).
Исходная информация о нефтяном загрязнении
Пользователь в режиме диалога вводит необходимую для расчета исходную информацию.
Вид загрязнения. В настоящее время в модели предусмотрены расчеты при аварийном выбросе
сырой нефти или нефтепродукта и при обнаружении нефтяных пятен на поверхности моря. В
разработке находится блок расчета распространения подводного выброса нефти или газа при
аварии на трубопроводе.
Оперативное
гидродинамическое и ледовое
моделирование
Модель
переноса и трансформации
нефтяного загрязнения
Исходная
информация
Коррекция
Прогноз
динамических
и ледовых полей
Прогноз
переноса и трансформации
нефтяного загрязнения
Визуализация
результатов
Пользователь
Рис.1. Структура системы оперативного моделирования нефтяных загрязнений.
При выборе аварийного разлива вводятся параметры разлива, к которым относятся
координаты выброса (географические), дата и время выброса, нефтепродукт (пользователю
предлагается выбрать нужный нефтепродукт из базы данных, в которой содержатся необходимые
для расчета физико-химические свойства нефтепродуктов, добываемых или используемых в
арктических морях), объем нефтепродукта на борту аварийного судна (т.е. максимально
возможный объем выброса), тип выброса – продолжительный или мгновенный.
В случае продолжительного выброса (наиболее вероятный случай) задаются начальная
скорость выброса (т/час) и скорость выброса через какой-то промежуток времени (т.е. временной
градиент скорости). До момента коррекции расчет производится при постоянной скорости
выброса (при равенстве двух скоростей) или при линейно убывающей/возрастающей скорости
выброса (при неравенстве скоростей). В модели предусмотрен случай, когда источник загрязнения
продолжает двигаться. В этом случае задаются скорость источника в узлах и направление,
которые считаются постоянными до момента коррекции. В случае мгновенного выброса задается
объем выброса. В модели предусмотрены варианты расчета мгновенного выброса на воду, на
поверхность льда и под лед.
Для расчета распространения нефтяных пятен на поверхности моря в модели предусмотрены
варианты известного и неизвестного нефтепродукта. В обоих случаях вводятся дата и время
обнаружения пятен, ориентировочная толщина пятен (по умолчанию - 10 мкм), в случае расчета
распространения пятен известного нефтепродукта дополнительно вводится нужный нефтепродукт
из базы данных.
Поскольку нефтяные пятна на спутниковых снимках обычно имеют вытянутую форму, но
могут принимать и достаточно причудливую форму в зависимости от особенностей динамики
района, то для упрощения и унификации расчетов пятна аппроксимируются набором
прямоугольников с последующим равномерным плотным заполнением их частицами с
известными или неизвестными свойствами. В модели предусмотрено два метода аппроксимации
пятен – ручной и автоматический. Использование ручного метода позволяет более точно
аппроксимировать форму пятен, но при этом требуется наличие снимков пятен и возможность
работы с ними.
После выбора метода аппроксимации, пользователю предлагается ввести количество пятен
или прямоугольников (при ручном методе), географические координаты крайних точек
(минимальная и максимальная широта и соответствующие долготы, минимальная и максимальная
долгота и соответствующие широты – всего 4 пары) для каждого пятна или прямоугольника.
Наконец, пользователь вводит необходимые параметры расчета, к которым относятся путь к
исходным гидрометеорологическим данным, период считывания этих данных, временной шаг
расчета, период прогноза (не более периода прогноза гидрометеорологических полей), период
возможной коррекции исходных данных, период расчета (при отсутствии коррекции), период
выдачи результатов расчета и путь для их записи.
Коррекция информации о нефтяном загрязнении
Коррекция исходной информации производится через указанный в параметрах расчета период
на основе получаемой информации об изменении скорости или временного градиента скорости
выброса нефтепродукта, изменении положения источника, изменении скорости и направления
движения источника, прекращении выброса. Также для коррекции используется информация о
расположении пятен нефтезагрязнений на поверхности моря, полученная с помощью
аэрофотосъемок или спутников.
Кроме того, при проведении коррекции возможно изменение параметров расчета.
Исходная гидрометеорологическая информация
В качестве исходной гидрометеорологической информации используются результаты расчета,
полученные с помощью оперативной гидродинамической и ледовой модели. Через определенный
период производится считывание расчетных полей скорости и направления ветра, скорости и
направления течения на всех горизонтах, температуры и солености воды на всех горизонтах,
сплоченности льда, скорости и направлении дрейфа льда. При подключении оперативной
волновой модели считываются поля средних высот, периодов и направления перемещения
ветровых волн. При отсутствии оперативной волновой модели необходимые для расчета волновые
параметры рассчитываются по эмпирическим формулам.
При необходимости прогностических расчетов распространения нефтяных загрязнений
используются результаты прогностических расчетов гидрометеорологических параметров.
Визуализация расчетной информации
Через определенный в параметрах расчета период пользователь получает информацию о
результатах расчета. Состав выдаваемой информации, в принципе, должен удовлетворять
потребности всех заинтересованных пользователей от экологических органов до МЧС.
В настоящее время на монитор выводятся (или могут быть выведены) результаты расчета:
расположение, площадь, поверхностная концентрация и толщина пятна нефтепродукта на
поверхности воды при аварийных разливах, распространение и концентрация нефтеуглеводородов
в толще воды вследствие погружения нефти в воду, расположение и количество вторичного
загрязнения
на
поверхности
воды
вследствие
всплытия
затонувшего
нефтепродукта,
расположение и количество загрязнения на дне, расположение и количество загрязнения на
поверхности дрейфующего ледяного покрова, расположение и количество загрязнения под
ледяным покровом, загрязнение береговой черты.
Модель переноса и трансформации нефтяных загрязнений
Разработанная в ААНИИ модель переноса и трансформации нефтяных загрязнений в
ледовитых морях OilMARS (Oil Spill Model for the Arctic Seas) [1] учитывает перенос и
трансформацию
нефтяных
загрязнений на поверхности моря в результате аварийных
длительных/моментальных разливов нефти от неподвижных или движущихся источников, а также
распространение обнаруженных на поверхности моря пятен нефтяных загрязнений. В настоящее
время модель работает в трехмерном варианте, рассчитывая внутриводное распространение
дисперсионного шлейфа и нефти, погрузившейся в воду. Модель способна рассчитывать
появление и распространение вторичного нефтяного загрязнения на поверхности воды и
загрязнение морского дна. Кроме того, модель учитывает влияние сплоченности и дрейфа
ледяного покрова на распространение загрязнения, а также попадание нефти на верхнюю
поверхность ледяного покрова и под лед в результате сжатия дрейфующего льда.
Для проведения оперативных расчетов модель была адаптирована к расчетной сетке
оперативной гидродинамической модели, были разработаны программные модули ввода и
усвоения результатов расчета оперативной гидродинамической модели, разработаны программные
модули для параллельного расчета прогностического распределения нефтезагрязнения. В модели
предусмотрены процедуры коррекции исходных данных и использования спутниковой
информации о положении пятен нефти.
В настоящее время проводятся опытные расчеты распространения нефтяных загрязнений с
использованием результатов оперативных расчетов.
Литература
1. Становой В.В., Лавренов И.В., Неелов И.А. Система моделирования разливов нефти в
ледовитых морях. Проблемы Арктики и Антарктики, 2007, вып. 77, с. 7-16.